用于切削工具的多层结构化涂层的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关专利申请资料
[0002] 本专利申请根据35U.S.C. § 119(e)要求提交于2013年3月28日的美国临时专 利申请No. 61/806, 035的优先权，该专利据此全文以引用方式并入。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于切削工具的涂层，并且具体地讲，涉及通过化学气相沉积法（CVD) 沉积的涂层。
【背景技术】
[0004] 切削工具（包括烧结碳化物切削工具）已用于带涂层和不带涂层条件两者以便加 工各种金属和合金。为了提高切削工具耐磨性、性能和寿命，已将一层或多层耐火材料施加 于切削工具表面。已通过CVD并通过物理气相沉积法（PVD)将例如TiC、TiCN、TiN和/或 A1203施加于烧结碳化物基底。虽然在多种应用中能有效抑制磨损并延长工具寿命，但基于 上述耐火材料的单层或多层构造的耐火涂层已日益达到其性能极限，从而要求开发用于切 削工具的新涂层结构。
【发明内容】
[0005] 在一个方面，描述了其上粘附有涂层的切削工具，所述涂层在一些实施例中可展 示出所需的耐磨性和延长的切削寿命。本文所述的带涂层的切削工具包括基底以及粘附于 基底上的涂层，所述涂层具有多层结构，所述多层结构包括多个结构单元，它们各自包括粘 结层和相邻的氧化铝层，所述氧化铝层具有小于〇. 5ym的厚度并且所述粘结层具有小于 1ym的厚度，所述粘结层包含TiCN和TiAlOC。在一些实施例中，所述粘结层还包含TiOCN。
[0006] 此类，结构单元可彼此相邻，从而形成交替氧化铝层和粘结层的结构。
[0007] 还提供了制作带涂层的切削工具的方法。制作本文所述的带涂层的切削工具的方 法包括提供切削工具基底以及通过化学气相沉积法在切削工具基底的表面上沉积具有多 层结构的涂层，所述多层结构包括多个结构单元，它们各自包括粘结层和相邻的氧化铝层， 所述氧化铝层具有小于0. 5 ii m的厚度并且所述粘结层具有小于1 ii m的厚度，所述粘结层 包含TiCN和TiAlOC。在一些实施例中，所述粘结层还包含TiOCN。
[0008] 上述及其他实施例将在下文【具体实施方式】部分详细描述。
【附图说明】
[0009] 图1示出了根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削工具的基底。
[0010] 图2为根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削工具的示意图。
[0011] 图3为根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削工具的示意图。
[0012] 图4为根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削刀片的横剖面光学图像。
[0013]图5为根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削刀片的横剖面光学图像。
【具体实施方式】
[0014] 参考以下【具体实施方式】和实例以及前述和下述内容，将更容易地理解本文所述的 实施例。然而，本文所述的元素、设备和方法并不限于【具体实施方式】和实例中所述的具体实 施例。应当认识到，上述实施例仅示例性地说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范 围的情况下，多种修改和变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
[0015] I.带涂层的切削工具
[0016] 在一个方面，描述了其上粘附有涂层的切削工具，所述涂层在一些实施例中可展 示出所需的耐磨性和延长的切削寿命。本文所述的带涂层的切削工具包括基底以及粘附于 基底上的涂层，所述涂层具有多层结构，所述多层结构包括多个结构单元，它们各自包括粘 结层和相邻的氧化铝层，所述氧化铝层具有小于〇. 5ym的厚度并且所述粘结层具有小于 1ym的厚度，所述粘结层包含TiCN和TiAlOC。在一些实施例中，所述粘结层还包含TiOCN。
[0017] 现在转到具体的组成部分，本文所述的带涂层的切削工具包括基底。带涂层的切 削工具的基底可包含不违背本发明目的的任何材料。在一些实施例中，基底包含烧结碳化 物、碳化物、陶瓷、金属陶瓷或钢。
[0018] 烧结碳化物基底可包含碳化钨（WC)。WC可以至少约70重量％的量存在于基底 中。在一些实施例中，WC以至少约80重量％的量或以至少约85重量％的量存在于基底中。 另外，烧结碳化物基底的金属粘结剂可包含钴或钴合金。钴例如可以约3重量％至约15重 量％范围内的量存在于烧结碳化物基底中。在一些实施例中，钴以5-12重量％或6-10重 量％的量存在于烧结碳化物基底中。此外，烧结碳化物基底可表现出始于基底表面并从基 底表面向内延伸的粘结剂富集区。
[0019] 烧结碳化物基底还可包含一种或多种添加剂，例如，下列元素和/或其化合物中 的一者或多者：钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或铪。在一些实施例中，钛、铌、钒、钽、铬、锆和/或 铪与基底中的WC形成固溶体碳化物。基底在一些实施例中包含约0. 1重量％至约5重量％ 范围内的量的一种或多种固溶体碳化物。另外，烧结碳化物基底可包含氮。
[0020] 基底在其他实施例中包含多晶立方氮化硼（PcBN)。PcBN基底可包含不与本发明 的目标抵触的任何量的PcBN。例如，PcBN基底可包含大于85重量％PcBN。在一些实施例 中，本文所述的切削工具基底包含选自表I的量的PcBN。
[0021] 表I-切削工具基底的PcBN重量％
[0022]
[0023] 此外，本文所述的切削工具的PcBN基底还可包含陶瓷或金属粘结剂。用于PcBN 基底的合适陶瓷粘结剂可包括钛、钨、钴或铝的氮化物、碳氮化物、碳化物、氧化物和/或硼 化物。在一些实施例中，例如，PcBN基底包含A1N、A1B2或它们的混合物的粘结剂。此外， 在一些实施例中，粘结剂包括任何上述陶瓷或金属粘结剂的固溶体。
[0024] 具有本文所述组成参数的PcBN基底可以各种构造提供。例如，带涂层的切削工具 可包括独立式整体固体片PcBN基底。或者，以通过硬钎焊或其他接合技术附接到支架上的 压实体或刀片形式提供PcBN基底。此外，PcBN基底可为支架上的全顶部或全顶部/全底 部切削刀片。
[0025] 在一些实施例中，本文所述的带涂层的切削工具的基底包括在基底的前刀面与后 刀面的接合点处形成的一个或多个切削刃。
[0026] 图1示出了根据本文所述的一个实施例的带涂层的切削工具的基底。如图1所示， 基底（10)具有在基底前刀面（14)与后刀面（16)的接合点处形成的切削刃（12)。基底还 包括可用于将基底（10)固定到刀架上的孔隙（18)。
[0027] 在一些实施例中，带涂层的切削工具的基底是刀片、钻头、锯片或其他切削设备。
[0028] 粘附到基底上的涂层包括多层结构，所述多层结构包括多个结构单元，每个结构 单元包括粘结层和相邻的氧化铝层。结构单元的粘结层包含TiCN和TiAlOC。在一些实施 例中，粘结层还包含TiOCN。TiCN、TiAlOC和TiOCN可以粘结层的次层形式提供。此外，结 构单元的粘结层一般具有小于1ym的厚度。在一些实施例中，粘结层具有选自表II的厚 度。
[0029] 表II-粘结层厚度（nm)
[0030]
[0031] 当TiCN、TiAlOC和/或TiOCN的一个或多个次层构成粘结层时，所述次层可各自 具有5-500nm的厚度。
[0032] 如本文所述，结构单元还包括与粘结层相邻或接触的氧化铝层。所述氧化铝层具 有小于约0. 5ym的厚度。在一些实施例中，结构单元的氧化铝层具有选自表III的厚度。
[0033] 表III-氧化铝层厚度（nm)
[0034]
[0035] 可将包括粘结层和相邻的氧化铝层的结构单元堆叠或重复任何次数以构建涂层 厚度。例如，可使结构单元彼此相邻地沉积。在此类实施例中，形成了交替粘结层与氧化铝 层的结构。或者，结构单元中的至少两个被一个或多个中间层间隔开。中间层可包含选自 由铝及周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素构成的组的一种或多种金属元素以及周期表 的IIIA、IVA、VA和VIA族的一种或多种非金属元素。中间层例如可包含选自由铝及周期表 的IVB、VB和VIB族的金属元素构成的组的一种或多种金属元素的氮化物、碳氮化物、氧化 物或硼化物。
[0036] 此外，可将结构单元直接沉积在切削工具基底的表面上而不存在任何基层。然而， 在一些实施例中，涂层的一个或多个基层位于基底与结构单元之间。基层可包含选自由铝 及周期表的IVB、VB和VIB族的金属元素构成的组的一种或多种金属元素以及周期表的 IIIA、IVA、VA和VIA族的一种或多种非金属元素。基层例如可选自由氮化钛（TiN)、碳氮化 钛（TiCN)和碳氮氧化钛（TiOCN)构成的组。在一些实施例中，存在包含TiN、TiCN和/或 TiOCN的多层布置方式。此外，过渡层可存在于结构单元的基层布置